生态毒理学2011-III

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RSCH2R’-RSH+R’CHO 脱卤素作用: RCHFCH2R’ -RCH=CHR’
脂族和芳基的环氧化和羟基化: RCH2CH2R’ -RCHOHCH2R’
酯类的氧化水解:RCOOR’-RCOOH+R’OH 硫和硫醚的氧化:通常为活化
-S-——-S(O)-
-P=S——-P=O
• 其他初级代谢反应:
动物——经皮、经口、吸入
动物消化道:是动物吸收有毒物质最主要的途径。
一般通过摄取食物和饮水进入体内。
消化道的主要吸收部位在小肠,其次是胃。因为 食物在这两个器官内停留时间最长。 一般污染物脂溶性越强,浓度越高,被消化道吸 收越快。
另外,由于胃酸的分泌,一些弱碱性的有机污染物 在胃中呈极性离子态,水溶性增强,脂溶性变 差,不易被吸收,但是弱酸性的有机污染物在 胃中容易被吸收。
B 进入机体的极性物质 ,可以不经Ⅰ相反应 而直接发生Ⅱ相反应; C 某些水溶性物质,可以不经生物转化而直 接排出体外。
4、吸持作用sequestration(贮存代谢) • 即将毒物贮存在惰性组织中,避免其与靶标结合。这是生物进 化的另一个解毒途径 • 惰性组织如动物的脂肪组织、毛发、牙齿、角等;植物可以将 毒物贮存在叶片和树皮中,随后脱落排除 • 生物可以产生特定的结合蛋白,如动物的金属硫蛋白MT和植物 的螯合素,它们均与生物体内的必需和非必需金属离子结合, 控制其游离浓度。MT是6-10kDa的胞质小分子蛋白,富含半 胱氨酸(达30%),可以被诱导,在肌肉中的半衰期为25天, 可以作为接触金属污染的测试指标。 • 缺点:当体内达到饱和后,就无法贮存;贮存毒物可以被其他 化合物置换,或因贮存组织的消耗(脂肪),而使毒物进入循 环系统发挥毒效。
无论哪种吸收途径,毒物都必需穿透隔离生 物内外环境的细胞膜(或细胞壁)。阻止 吸收的主要障碍也就是吸收位点的细胞膜 毒物通过细胞膜涉及到4种主要机制:被动扩 散、易化运输、主动运输、胞饮作用
• 被动扩散passive diffusion:毒物在浓度梯度作用下,由分 子的随机运动,扩散进入细胞,直至膜两侧达到平衡。被 动扩散不能逆梯度运输。
扇贝吸收镉和铅,主要贮存在生殖腺中,肌肉中很少
哺乳动物吸收汞后,在不同组织中的沉积依次为:肾-肝-脾-肠 -心-肌肉-肺;镉主要沉积场所为肾和骨,铅主要为脑和骨
亲脂性有机毒物主要沉积在脂肪组织中,石棉主要是肺。
• 毒物具有明显的器官和组织选择性,但与毒效的关系并不十分清楚
3、转化transformation
• 毒理动力学toxicodynamics过程:主要是毒物如何作用于 靶标,并产生毒理学效应。又称毒理微观动力学
二、毒物代谢动力学toxicokinetics过程
1、吸收uptake:环境化合物通过各种途径透 过生物膜进入体内的过程。生物可以通过 不同途径吸收毒物:
藻类——简单的扩散吸收
陆生植物——根、气孔、表皮
醇、醛脱氢:RCH2OH-RCHO-RCOOH 单胺氧化:RNH2-ROH+NH3 酯类水解:RCOOR’-RCOOH+R’OH 酰胺水解:RCONHR’-RCOOH+R’NH2
(2)次级代谢phase II transformation
• 主要是在酶的作用下,使初级代谢产物与内源性 代谢中间体结合,进一步增加毒物的水溶性。
植物根部: 大部分通过植物根部细胞膜的被动扩散吸收,即当外部污染 物浓度大时,可以扩散进入根部细胞,然后通过蒸腾作用 进入植物全身。 但是一般在植物根部累积的污染物浓度最大。例如实际测定, 黄瓜茎叶中Cd含量15.74ug/g鲜组织,根部285.25ug/g鲜组 织,菠菜茎叶中Cd含量1.13ug/g鲜组织,根部193.34ug/g 鲜组织, 所以一些块茎类植物果实中污染物的浓度较高 (土豆、山芋、胡萝卜)。 如果增加土壤中的阳离子交换量,一些重金属可以被交换到 土壤胶体上,而减少毒性,或者增加土壤中有机质的含量, 能提供更多的沉淀络合基团,土壤的吸附能力越强,重金 属被植物吸收就越少。
• 生物必需处理自身代谢产生的和环境中的毒物
• 生物解毒的基本策略就是尽快清除体内的毒物, 以减少暴露接触时间 • 生物进化了许多分泌排泄系统,但大都是处理水 溶性物质的,因此,将毒物转化成水溶性物质有 利于排出体外 • 生物转化通常需要经过两级代谢——初级代谢和 次级代谢
(1)初级代谢phase I transformation
• 在不同生物水平产生毒效所需的时间取决于毒物的性质和 剂量。对于亚致死效应来说:
分子和生化水平——数分钟至数小时
生理水平——几小时至几天
生长生殖变化或死亡——数月至数年 个体以上水平的反应——数十年以上
• 本章主要讲毒物代谢动力学、毒理动力学和生物低水平的 反应。
• 毒物代谢动力学toxicokinetics过程包括:吸收、运输、代 谢、贮存和分泌5个方面,它决定有多少毒物分子进入靶 标位点并与之作用。又称毒理宏观动力学。(生物转运 Bio-Transport:环境化合物经各种途径和方式被生物吸收、 分布和排泄过程的总称)
• 主要是通过生物氧化作用,在化合物分子内引入 水溶性的活性基团
• 初级代谢涉及的主要反应包括:氧化还原反应和 水解反应,涉及的酶类主要有微粒体多功能氧化 酶系统MFO、微粒体外氧化酶(醇、醛脱氢酶、 过氧化氢酶、单胺氧化酶等)、水解酶(酯酶、 酰胺酶) 生物活化(bioactivation):外源化合物经生物转化 后,其衍生物的生物活性更强。 生物失活(bioinactivation):外源化合物经生物转 化后,其生物活性减弱或消失。
2、体内运输transport
• 毒物在特定位点吸收后,可以通过体液循环运输至不同的组织器官 • 动物通过血液、淋巴液或血淋巴运输 • 植物通过木质部导管和韧皮部筛管中的水流进行运输。因此,运输 的效率受环境因素影响很大,如温度、空气湿度、土壤含水量、光 照等
• 毒物的化学特性不同,对生物不同组织的亲和性不同,因此在体内 的积累和分布并不均一。
混合功能氧化酶系(mixed-function oxidase,MFO)
催化的基本反应 RH+O2+NADPH+H+ ROH+NADP++H2O
反应中需要一个氧分子,其中一个氧原子加到底物 分子上,另一个氧原子被还原成水,又称单加 氧酶系monoxygenase
存在部位:微粒体内(光滑内质网)
动物皮肤:只是部分有毒物质进入机体的途径。
由于皮肤角质层的阻隔,皮肤吸收毒物的能力较差, 许多毒物不能直接通过皮肤吸收或吸收甚微。
一般水溶性强,分子量低的污染物(例如酚、苯胺) 才可以通过皮肤吸收。 但是当皮肤毛孔张开时,一些大分子污染物也可以 通过毛孔进入人体,夏季高温喷洒农药时,要穿 防护服,道理即在于此。
MFO极易被诱导,有时在几小时后就可以增加近百 倍。MFO活力升高也可以用作生物接触毒物的 标记。 MFO潜在活性在不同生物,甚至不同个体中有明显 差异。一般来说:哺乳动物>鸟类>鱼类。
• MFO催化的氧化反应主要有:
O、S、N-烷基羟基化: ROCH2R’-ROH+R’CHO
RNHCH2R’- RNH2+R’CHO
第四章 生物吸收及其在个
体以下水平上的反应
一、引言
• 毒物可以通过不同途径进入生物体内,进入途径不同直接影 响吸收效率和毒效。 • 毒物进入生物体内,生物可以通过不同方式清除毒物,进行 解毒。 • 生物半衰期Biological half-life BHL 毒物进入生物体内后,在代 谢作用下,减少到初始浓度一半时所需要的时间。 • 吸收和解毒的速率差异,决定毒物能否积累并产生蓄积毒效 注意:任 何化合物 积累足够 的剂量都 有毒 毒 物 浓 度 效应 阈值
植物叶片:
可吸附一些颗粒态污染物,植物叶片越粗糙, 比表面积越大,越能吸附大量污染物。 一些植物叶片分泌一些油脂性物质,增加了 对气态污染物的吸附作用。例如云杉、油 松、马尾松能分泌油脂性物质,杨梅、草 莓等叶片粗糙,比表面积大。
植物气孔:
植物呼吸主要通过叶片气孔进行,大量毒物由此进 入植物体内,例如二氧化硫通过气孔进入叶片, 被叶肉组织吸收,高浓度的二氧化硫能导致气孔 的开闭功能瘫痪。 氟化物、臭氧、光化学烟雾有害成分、一些农药等 都能通过气孔进入植物体内;
被动扩散没有底物专一性,但分子的大小和物化特性影响其 扩散。扩散一般是小于0.4nm的小分子物质,其中水溶性 的通过膜孔扩散,脂溶性的通过双层生物膜扩散。
被动扩散遵循一级动力学过程,其速率取决于:a、膜两侧 的浓度梯度;b、膜的面积和厚度;c、毒物的脂溶性和离 子化状态;d、毒物的分子大小。 • 易化运输facilitated transport:细胞膜上特定的载体或蛋 白孔,可以加速特定毒物的跨膜扩散(对有些化合物,扩 散速度可提高5万倍)。易化运输的动力仍然是浓度梯度, 不需要消耗生物能量。因此易化运输有底物专一性,也不 能逆梯度运输。如钙结合蛋白对钙的易化运输。
R-X+GSH——R-GS+XH
• 氨基酸转移 RCOOH+ATP——RCO-AMP+ppi RCO-AMP+COA-SH——RCO-S-COA+AMP RCO-S-COA+甘氨酸 ——RCO-甘氨酸+COA-SH
特殊情形
A 高度亲脂性外源化合物如 DDT、多氯联苯, 基本不能与生物转化系统中的酶类结合, 故不能发生生物转化,而蓄积在机体内;
百度文库
• 胆汁分泌是脊椎动物的另一个重要途径,该途径主要是主 动运输排泄,分泌的主要是大分子化合物(一般分子量大 于300)。 • 胆汁分泌的化合物进入消化道后,可以被肠道微生物还原 后重吸收,并经淋巴系统送回肝脏。由于肝脏的主动吸收, 可能集聚极高的浓度,并中毒。 • 气态的和挥发性的物质,可以由呼吸器官扩散排泄。如氨、 乙醇等。 • 其他分泌排泄还包括汗腺、乳腺和吐液腺等。
5、分泌排泄excretion • 分泌排泄是通过分泌系统从体内清除毒物及其代谢物,是 生物另一个重要解毒途径 • 通常用生物半衰期表示毒物在生物体内的滞留时间,生物 半衰期越长,产生毒效的可能性越大 • 不同性质的毒物的主要分泌排泄途径不同。 • 肾是分泌排泄非挥发性物质的主要器官。在脊椎动物体内, 肾小球的膜孔很大,可允许分子量7万以下的物质通过。 肾过滤涉及到被动和主动运输:离子化合物主要通过主动 运输排泄,非离子化合物(包括亲水的螯合物和亲脂化合 物)可以通过扩散分泌,其中亲脂的化合物还可以被血液 重吸收。
时间
• 毒物可以在不同生物水平诱导反应(毒效) • 分子水平——与DNA结合,改变DNA结构,致癌致变;诱 导或抑制特定基因的表达,致畸、改变正常分子水平的功 能。 生化水平——抑制或诱导酶活性、与正常代谢中间体结合, 改变生化途径和正常代谢。 • 分子和生化水平的损害如果得不到补偿,就会引起生理反 应。生理水平——心博、激素水平、呼吸和光合速率、渗 透压等改变。 • 生理混乱会导致个体行为的变化。行为水平——取食、行 动、对光和其他环境因子的反应改变。 • 生理和行为的改变,最终会影响个体的生长繁殖能力,甚 至死亡。由此引起更高生物水平的反应。
动物呼吸道:吸收大气污染物的主要途径。
成人每天吸入10立方-12立方的空气,其中的 大颗粒部分停留在鼻腔、咽喉等部位,通 过喷嚏、吐痰等排出。
细颗粒部分可以进入肺部不易复出,其主要 吸收部位是肺泡。 肺泡的膜很薄,数量众多,四周布满壁膜极 薄、结构疏松的毛细血管,因此细颗粒中 的可溶性部分经过肺部毛细血管转运进入 血液循环。
• 主动运输active transport:通过膜载体和泵系统进 行运输,具有底物专一性,可以逆浓度梯度运输, 需要消耗生物能量。 主动运输遵循酶反应动力学,其速率主要受膜载体 的数量限制。目前发现膜上有一种糖蛋白泵,它 可以参与多种有机氯化合物的主动运输。
• 胞饮作用pinocytosis:体积大的物质,不能通过 膜上的孔进入,只能通过胞饮作用进入。如空气 中小于1微米的颗粒,在肺泡内就是通过胞饮作用 被吸收的。
• 参与次级代谢的内源性中间体主要有:糖和氨基 酸及其衍生物,以及磷酸和璜酸等。 • 次级代谢的主要酶类包括:UDP-葡萄糖苷转移 酶、巯基转移酶、谷胱甘肽转移酶、环氧化物水 解酶
• 葡萄糖苷转移 G+ATP——G-pi+ADP G-pi+UTP-UDP-G+ppi UDP-G+ROH——R-O-G+UDP • 谷胱甘肽转移
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